Введение

Потеря электроснабжения в определенной области, случайные перебои в электроснабжении

Отключение электроэнергии (также называемое перебоем в электроснабжении, пропаданием электричества, сбоем электроснабжения, веерной остановкой или просто отключением) – это прекращение подачи электроэнергии к конечному потребителю. Существует множество причин перебоев в электроснабжении в электрической сети. К ним относятся неисправности на электростанциях, повреждение линий электропередачи, подстанций или других элементов распределительной системы, короткое замыкание, каскадный отказ, срабатывание предохранителя или автоматического выключателя. Отключения электроэнергии особенно критичны на объектах, где под угрозой окружающая среда и общественная безопасность. Такие учреждения, как больницы, очистные сооружения и шахты, обычно оснащены резервными источниками питания, такими как резервные генераторы, которые автоматически запускаются при пропадании электроэнергии. Другие критически важные системы, такие как телекоммуникации, также должны иметь источники аварийного питания. В аккумуляторной комнате телефонной станции обычно установлены батареи свинцово-кислотного типа для резервного питания, а также предусмотрена розетка для подключения генератора при длительных отключениях. Во время отключения электроэнергии нарушается подача электроэнергии, что приводит к отключению электроснабжения жилых домов, предприятий и других объектов. Отключения электроэнергии могут происходить по различным причинам, включая неблагоприятные погодные условия (такие как штормы, ураганы или снегопады), отказ оборудования, перегрузка сети или плановое техническое обслуживание.

Защита энергосистемы от отключений

В сетях электроснабжения генерация электроэнергии и электрическая нагрузка (потребление) должны быть очень близки к равновесию каждую секунду, чтобы избежать перегрузки компонентов сети, которая может привести к их серьезным повреждениям. Защитные реле и предохранители используются для автоматического обнаружения перегрузок и отключения цепей, находящихся под угрозой повреждения. При определенных условиях выход из строя сетевого компонента может вызвать колебания тока в соседних сегментах сети, что приводит к каскадному отказу более крупного участка сети. Это может затронуть отдельное здание, квартал, целый город или даже всю электрическую сеть. Современные энергосистемы проектируются с учетом устойчивости к подобным каскадным отказам, однако они могут быть неизбежны (см. ниже). Более того, поскольку предотвращение редких крупномасштабных аварий не приносит немедленной экономической выгоды, исследователи выражают опасения, что со временем устойчивость сети имеет тенденцию к снижению, и восстанавливается она лишь после крупных аварий. В публикации 2003 года Каррерас и соавторы утверждали, что уменьшение вероятности небольших отключений увеличивает вероятность более масштабных.

Защита компьютерных систем от отключения электроэнергии

Компьютерные системы и другие электронные устройства, содержащие логические схемы, уязвимы к потере данных или повреждению оборудования, вызванным внезапным отключением электропитания. Это относится к сетевому оборудованию, видеопроекторам, системам сигнализации, а также компьютерам. Для защиты компьютерных систем от этого используется источник бесперебойного питания, или UPS, который обеспечивает непрерывную подачу электроэнергии при кратковременном отключении основного источника. Для защиты от скачков напряжения (когда напряжение возрастает на несколько секунд), способных повредить оборудование при восстановлении питания, можно использовать специальное устройство – ограничитель перенапряжений, которое поглощает избыточное напряжение.

Восстановление электроснабжения после обширного отключения

Восстановление электроснабжения после масштабного отключения может быть сложным, поскольку электростанции необходимо повторно включить в работу. Обычно это делается с использованием электроэнергии из остальной части энергосистемы. При полном отсутствии электроэнергии из сети требуется выполнить так называемый "черный пуск" для первоначального запуска энергосистемы. Способы выполнения этой процедуры во многом зависят от местных условий и оперативных регламентов, но как правило, сетевые организации создают локализованные "острова электроэнергии", которые затем последовательно объединяются. Для поддержания частоты электроснабжения в допустимых пределах в ходе этого процесса необходимо восстанавливать потребление в том же темпе, что и генерирующую мощность, что требует тесной координации между электростанциями, сетевыми и распределительными организациями.

Самоорганизованная критичность

На основе исторических данных и компьютерного моделирования было установлено, что энергосистемы являются самоорганизующимися критическими системами. Эти системы подвержены неизбежным возмущениям любого масштаба, вплоть до масштаба всей системы. Это явление связывают с постоянно растущим спросом/нагрузкой, экономической целесообразностью для энергокомпаний и ограничениями современной инженерии. Хотя было показано, что частота отключений электроэнергии может быть снижена при работе системы дальше от критической точки, это, как правило, экономически невыгодно, что вынуждает поставщиков увеличивать среднюю нагрузку со временем или реже проводить модернизацию, в результате чего энергосистема сама приближается к критической точке. Напротив, система, вышедшая за критическую точку, будет испытывать слишком частые отключения, что приведет к масштабной модернизации и возвращению системы ниже критической точки. Термин "критическая точка системы" здесь используется в значении статистической физики и нелинейной динамики, обозначая точку, в которой система претерпевает фазовый переход; в данном случае – переход от стабильной и надежной сети с редкими каскадными отказами к крайне нестабильной и ненадежной сети с частыми каскадными отказами. Вблизи критической точки зависимость между частотой и масштабом отключений подчиняется степенному закону распределения. Другие предлагают более активно использовать электронно-управляемые высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) в качестве разделителей цепей для предотвращения распространения возмущений по линиям переменного тока в широкой региональной сети.

Модель ОПА

В 2002 году исследователи из Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL), Научно-исследовательского центра энергетических систем Университета Висконсина (PSerc) и Университета Аляски Фэрбенкс предложили математическую модель поведения систем распределения электроэнергии. Эта модель получила название ОПА, как аббревиатура, образованная из названий учреждений авторов. ОПА – это модель каскадного отказа. К другим моделям каскадных отказов относятся модели Манчестера, скрытого отказа, CASCADE и разветвления. Модель OPA была количественно сопоставлена с моделью каскадного отказа на основе сложных сетей – моделью Crucitti–Latora–Marchiori (CLM), что показало, что обе модели демонстрируют схожие фазовые переходы в среднем объеме повреждений сети (сброс нагрузки/потребления в OPA, повреждение связей в CLM) в зависимости от пропускной способности сети.

Уменьшение частоты отключения электроэнергии

Попытки смягчить каскадные сбои вблизи критической точки экономически целесообразным способом часто оказываются неэффективными и даже контрпродуктивными. Четыре метода смягчения были протестированы с использованием модели отключений ОПА:

Увеличение критического числа сбоев, вызывающих каскадные отключения – Показано, что это снижает частоту небольших отключений, но увеличивает частоту крупных отключений. Увеличение максимальной допустимой нагрузки на линии электропередач – Показано, что это увеличивает частоту небольших отключений и снижает частоту крупных отключений. Комбинация увеличения критического числа и максимальной нагрузки линий – Показано, что это не оказывает существенного влияния на масштаб отключений. Незначительное снижение частоты отключений, которое получается в результате, по прогнозам, не оправдывает затраты на реализацию. Увеличение избыточной мощности, доступной в сети – Показано, что это снижает частоту небольших отключений, но увеличивает частоту крупных отключений. Помимо того, что каждая стратегия смягчения имеет соотношение затрат и выгод в отношении частоты небольших и крупных отключений, общее число событий отключений не было существенно сокращено ни одной из вышеупомянутых мер. В 2015 году М. С. Салех предложил одно из решений, направленных на снижение последствий отключений электроэнергии.